汽車構造第五章新能源汽車

第五章新能源汽車汽車構造

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第五章新能源汽車汽車構造第五章新能源汽車第三節(jié)生物燃料汽車第四節(jié)其他新能源汽車第一節(jié)電動汽車第二節(jié)氣體燃料汽車

新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料（或同時使用常規(guī)車用燃料和新型車載動力裝置）作為動力來源，綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進，具有新技術、新結構的汽車。

現(xiàn)在應用及研究中的新能源汽車主要包括電動汽車（包括純電動汽車、混合動力電動汽車、燃料電池電動汽車等）、氣體燃料汽車（包括壓縮天然氣汽車、液化天然氣汽車、液化石油氣汽車等）、生物燃料汽車（包括醇類汽車、生物柴油汽車、二甲醚汽車等）、氫氣汽車、太陽能汽車等。第五章新能源汽車

電動汽車包括純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車。

一、純電動汽車

純電動汽車（圖5-1）：驅動能量完全由電能提供的、由電機驅動的汽車。電機的驅動電能來源于車載可充電儲能系統(tǒng)或其他能量儲存裝置。第一節(jié)電動汽車圖5-1榮威E550純電動汽車

純電動汽車本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒外，其他污染物也顯著減少；電廠大多建于遠離人口密集的城市，對人類傷害較小，而且電廠是固定不動的，集中排放，清除各種有害排放物較容易，也已有了相關成熟技術；電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力等，解除人們對石油資源日見枯竭的擔心。

純電動汽車還可以充分利用晚間用電低谷時富余的電力充電，使發(fā)電設備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟效益。有些研究表明，同樣的原油經(jīng)過粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅動汽車，其能量利用效率比經(jīng)過精煉變?yōu)槠?，再?jīng)汽油機驅動汽車要高，因此有利于節(jié)約能源和減少CO2的排放。第一節(jié)電動汽車

純電動汽車由電力驅動控制系統(tǒng)、驅動力傳動等機械系統(tǒng)、完成既定任務的工作裝置等組成，如圖5-2所示。純電動汽車主要是由電動機來驅動的，所以沒有發(fā)動機，替代發(fā)動機的是電力驅動控制系統(tǒng)，它是純電動汽車的核心，主要由電力驅動主模塊、車載電源模塊和輔助模塊三大部分組成，它也是區(qū)別于內燃機汽車的最大不同點。純電動汽車的其他裝置基本與內燃機汽車基本相同。第一節(jié)電動汽車圖5-2純電動汽車的主要結構

1．電力驅動主模塊

電力驅動主模塊主要包括中央控制器、驅動控制器、電動機（圖5-3）、機械傳動裝置和車輪等，它的主要功用是將蓄電池的電能轉化為車輪的動能，為車輛提供可靠的驅動力。裝有能量回收裝置的車輛還可以將車輛減速制動時車輪的動能轉變?yōu)殡娔軆Υ嬖谛铍姵貎?。純電動汽車裝有和傳統(tǒng)汽車類似的加速踏板，只不過純電動汽車的加速踏板是控制電流大小的，而不是控制節(jié)氣門開度大小的。

中央控制器根據(jù)加速踏板傳來的電流信號，向驅動控制器發(fā)出指令，對電動機進行控制，例如加速、減速等。

驅動控制器是按照中央控制器的要求指令、電動機的速度和電流反饋信號，對電動機的速度、旋轉方向等進行控制。純電動汽車倒檔功能的實現(xiàn)是通過驅動電機的反轉實現(xiàn)的。第一節(jié)電動汽車圖5-3電動機

2．車載電源模塊

車載電源模塊主要包括可充電蓄電池、充電控制器和能量管理系統(tǒng)等。

蓄電池是純電動汽車的動力來源，制約純電動汽車發(fā)展的最大瓶頸就是蓄電池。蓄電池大約占到純電動汽車制造成本的1/3左右。純電動汽車使用的蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鎳鎘蓄電池、鋰離子蓄電池和鋅鎳電池等。

鉛酸蓄電池（圖5-4）是1859年發(fā)明的，至今已有100多年的歷史了，現(xiàn)代內燃機的起動電源仍采用鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池的電極主要由鉛及其氧化物（二氧化鉛）制成，電解液是硫酸溶液。鉛酸蓄電池的優(yōu)點是價格低廉，高倍率放電性能良好，電能效率高，溫度適應范圍廣等。其缺點是質量和體積都比較大，續(xù)航里程短，比能量低，壽命短，充電時間長。電極材料鉛是重金屬，污染環(huán)境。第一節(jié)電動汽車圖5-4鉛酸蓄電池

鎳氫蓄電池（圖5-5）是20世紀90年代發(fā)展起來的新型電池。鎳氫蓄電池是由氫離子和金屬鎳合成的，它的正極活性物質是氫氧化鎳，負極活性物質是儲氫合金，是一種堿性蓄電池。鎳氫蓄電池作為近年來迅速發(fā)展起來的一種高能綠色充電電池，具有能量密度高、可快速充放電、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬以及無污染等優(yōu)點。在筆記本計算機、便攜式攝像機及電動自行車等領域得到了廣泛應用。但是在純電動汽車領域，鎳氫蓄電池還沒能完全推廣，還有高溫性能、儲存性能等很多技術瓶頸沒有突破。第一節(jié)電動汽車圖5-5鎳氫蓄電池

鎘鎳蓄電池（圖5-6）是指采用金屬鎘作為負極活性物質、氫氧化鎳作為正極活性物質的堿性電池，它的電解液是氫氧化鉀水溶液或者氫氧化鈉水溶液。鎘鎳蓄電池可重復500次以上的充放電，經(jīng)濟耐用。其內阻很小，可快速充電，又可為負載提供大電流，而且放電時電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電電池。鎘鎳電池最致命的缺點是在充放電過程中如果處理不當，會出現(xiàn)嚴重的“記憶效應”，使得壽命大大縮短。第一節(jié)電動汽車圖5-6鎘鎳蓄電池

鋰離子蓄電池（圖5-7）是最新一代的充電電池。1991年索尼公司發(fā)布首個商用鋰離子蓄電池。鋰離子蓄電池至今仍是便攜電子器件的主要電源。按照正極材料的不同可分為錳酸鋰離子電池、磷酸鐵鋰離子蓄電池、鎳鈷鋰離子蓄電池和鎳鈷錳鋰離子蓄電池。鋰離子蓄電池必須有防止過充的特殊保護電路。鋰離子蓄電池的工作電壓高，使用壽命長，比能量高，對環(huán)境無污染，但是由于鋰離子蓄電池的正極材料價格高，導致整個電池的使用成本偏高。第一節(jié)電動汽車圖5-7鋰離子蓄電池

3．輔助模塊

純電動汽車的輔助模塊主要是一些提高汽車舒適性、安全性和操控性的裝置。比如，聲光信號、空調系統(tǒng)、電子助力裝置、音響設備等。這些裝置在燃油汽車上早已應用。但在純電動汽車上有的模塊運用很少，這主要是考慮到電池的續(xù)航里程和制造成本等問題。

目前限制純電動汽車發(fā)展的最大困難是汽車蓄電池技術，現(xiàn)有技術水平制出的蓄電池體積大、質量大、造價高、使用壽命有限，而純電動汽車一次充電行駛里程也很有限，這些都限制了純電動汽車的普及使用。要使純電動汽車大規(guī)模應用，必須依靠蓄電池技術的發(fā)展。第一節(jié)電動汽車

二、混合動力電動汽車

混合動力電動汽車（圖5-8）是指能夠至少從下述兩類車載儲存的能量中獲得動力的電動汽車：①可消耗的燃料；②可再充電能/能量儲存裝置。通過在混合動力電動汽車上使用電動機，使得動力系統(tǒng)可以按照整車的實際運行工況要求靈活調控，而發(fā)動機保持在綜合性能最佳的區(qū)域內工作，從而降低油耗與排放。按照使用燃料的不同，可以分為汽油混合動力電動汽車和柴油混合動力電動汽車兩大類。

日本豐田公司生產(chǎn)的普銳斯混合動力電動汽車是世界上首款量產(chǎn)的混合動力電動汽車。目前國內外的多家汽車廠商都在進行混合動力電動汽車的研發(fā)與生產(chǎn)。

混合動力電動汽車借助內燃機的動力系統(tǒng)提供的動力可以帶動空調系統(tǒng)、助力裝置等，提高了駕駛時的操控性和乘坐的舒適性。在道路擁堵時可以切換至電動模式，實現(xiàn)零排放。但是混合動力電動汽車制造工藝復雜，維護成本較高。第一節(jié)電動汽車第一節(jié)電動汽車圖5-8奔馳混合動力電動汽車

1．串聯(lián)式混合動力電動汽車

串聯(lián)式混合動力電動汽車（圖5-9和圖5-10）主要由發(fā)動機、發(fā)電機、驅動電機和蓄電池組等部件組成。發(fā)動機僅僅用于發(fā)電，發(fā)電機所發(fā)出的電能供給電動機，電動機驅動汽車行駛。發(fā)電機發(fā)出的部分電能向電池充電，來延長混合動力電動汽車的行駛里程。另外電池還可以單獨向電動機提供電能來驅動電動汽車，使混合動力電動汽車在零污染狀態(tài)下行駛。第一節(jié)電動汽車圖5-9串聯(lián)式混合動力電動汽車原理框圖第一節(jié)電動汽車圖5-10串聯(lián)式混合動力電動汽車示意圖

2．并聯(lián)式混合動力電動汽車

并聯(lián)式混合動力電動汽車（圖5-11和圖5-12）主要由發(fā)動機、發(fā)電/電動機和蓄電池組等部件組成。并聯(lián)式驅動系統(tǒng)可以單獨使用發(fā)動機或電動機作為動力源，也可以同時使用電動機和發(fā)動機作為動力源來驅動汽車。第一節(jié)電動汽車圖5-11并聯(lián)式混合動力電動汽車原理框圖第一節(jié)電動汽車圖5-12并聯(lián)式混合動力電動汽車示意圖

3．混聯(lián)式混合動力電動汽車

混聯(lián)式混合動力電動汽車（圖5-13和圖5-14）主要由發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、行星齒輪機構和蓄電池組等部件組成。豐田普銳斯所采用的混合驅動方式，是將發(fā)動機、發(fā)電機和電動機通過一個行星齒輪裝置連接起來。動力從發(fā)動機輸出到與其相連的行星架，行星架將一部分轉矩傳送到發(fā)電機，另一部分傳送到電動機并輸出到驅動軸。此時車輛并不是串聯(lián)式或者并聯(lián)式，而是介于串聯(lián)和并聯(lián)之間，充分利用兩種驅動方式的優(yōu)點。第一節(jié)電動汽車圖5-13混聯(lián)式混合動力電動汽車原理框圖第一節(jié)電動汽車圖5-14混聯(lián)式混合動力電動汽車示意圖

三、燃料電池電動汽車

燃料電池電動汽車（圖5-15）是指以燃料電池系統(tǒng)作為單一動力源或者是以燃料電池與可充電儲能系統(tǒng)作為混合動力源的電動汽車。第一節(jié)電動汽車圖5-15本田FCX燃料電池電動汽車

燃料電池電動汽車主要由燃料電池組、控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)和蓄電池組等組成，如圖5-16所示。燃料箱儲存燃料，燃料電池把燃料氧化的化學能轉換為電能，產(chǎn)生的直流電經(jīng)過控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧寗与妱訖C，經(jīng)傳動系統(tǒng)驅動車輪。第一節(jié)電動汽車圖5-16燃料電池電動汽車的基本組成

燃料電池（圖5-17）的化學反應過程不會產(chǎn)生有害物質，因此，燃料電池車輛是無污染汽車，燃料電池的能量轉換效率比內燃機要高2～3倍。從能源的利用和環(huán)境保護方面而論，燃料電池電動汽車是一種理想的車輛。

單個的燃料電池必須結合成燃料電池組，以便獲得必需的動力，滿足車輛使用的要求。

燃料電池汽車的優(yōu)點包括：零排放或近似零排放、減少了機油泄漏帶來的水污染、降低了溫室氣體的排放、提高了燃油經(jīng)濟性和發(fā)動機燃燒效率并且運行平穩(wěn)、無噪聲。第一節(jié)電動汽車圖5-17燃料電池系統(tǒng)部件分解圖

常見的氣體燃料汽車包括壓縮天然氣汽車（CNG）、液化天然氣汽車（LNG）和液化石油氣汽車（LPG）等。

一、壓縮天然氣汽車

天然氣是在油田、氣田、煤田和沼澤地帶產(chǎn)生的天然氣體，主要成分是甲烷，純天然氣甲烷含量一般占90%以上。天然氣用作汽車燃料主要方式是壓縮天然氣和液化天然氣。

天然氣是一種清潔環(huán)境負荷能源，作為車用燃料，與石油提取的燃料車相比，尾氣中的CO排放量可減少80%以上，碳氫及氮氧化合物排放也大大減少，溫室氣體的CO2也有顯著降低，且基本無顆粒及硫化物排放，有效延長了發(fā)動機和潤滑油的使用壽命；另外，天然氣還擁有經(jīng)濟性高、運行噪聲低、低溫起動性較好等特點，因此天然氣是一種優(yōu)質車用燃料。

天然氣密度低，不如汽油和柴油容易儲存，天然氣用于汽車燃料時，需要專用的燃料儲運和供給系統(tǒng)。為了提供充足的燃料，天然氣必須壓縮至20.7～24.8MPa，然后進入高壓氣瓶內。常見的壓縮天然氣汽車就是用壓縮天然氣（CompressedNaturalGas）作為燃料的汽車，圖5-18所示為悅翔壓縮天然氣汽車。第二節(jié)氣體燃料汽車第二節(jié)氣體燃料汽車圖5-18悅翔壓縮天然氣汽車

二、液化天然氣汽車

LNG就是液化天然氣（LiquefiedNaturalGas）的簡稱，將氣田生產(chǎn)的天然氣凈化處理，再經(jīng)超低溫（-161℃）處理后，氣體天然氣就變成了液體天然氣，即液化天然氣。液化天然氣無色、無味、無毒且無腐蝕性，體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/610，質量僅為同體積水的45%左右。另外，液化天然氣燃燒后幾乎不產(chǎn)生污染。

液化天然氣汽車（圖5-19）的使用就全球范圍內講都還在起步階段，由于配套設置不完善及其他原因制約，液化天然氣目前更多的是用在商用車領域，乘用車方面比較少。第二節(jié)氣體燃料汽車圖5-19液化天然氣公交車

三、液化石油氣汽車

LPG是液化石油氣（LiquefiedPetroleumGas）的簡稱，是指常溫下加壓（約1MPa左右）而液化的石油氣。液化石油氣來自冶煉廠氣、濕性天然氣或油田伴生氣。

由于液化石油氣幾乎不含有不可燃燒成分，發(fā)熱量高、燃燒充分、無粉塵灰渣，所以，液化石油氣是一種清潔能源。使用液化石油氣能減少空氣污染，保護環(huán)境。液化石油氣燃燒時釋放的熱量是常用燃氣中最高的，因此非常適合當作車用燃料。

第二節(jié)氣體燃料汽車

以液化石油氣為燃料的液化石油氣汽車（圖5-20）早已問世，目前全世界已有超過50個國家在使用液化石油氣汽車。第二節(jié)氣體燃料汽車圖5-20液化石油氣汽車

生物燃料就是由生物原料生產(chǎn)的燃料，這些生物原料包括農(nóng)林產(chǎn)品或其副產(chǎn)品、工業(yè)廢棄物、生活垃圾等。農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)的碳水化合物是目前的主要生物原料，目前我們所說的生物燃料一般是指生物液體燃料。

生物燃料的優(yōu)點很多，首先，它是一種可再生的燃料。依靠生物原料的再生性，這種燃料可以說是取之不盡，用之不竭的；其次，生產(chǎn)的范圍廣。無論全球哪個地方，都可以獲得生產(chǎn)生物燃料所需的原材料；再次，生物燃料的推廣方便。不像燃氣燃料，需要新建補給設備或專用的運輸設備，生物燃料完全可以利用現(xiàn)有的加油站進行燃料補給。生物燃料是非常環(huán)保的，它不會有過多的有害物質排放，不會造成環(huán)境污染。

常見的生物燃料汽車包括醇類汽車、生物柴油汽車、二甲醚汽車等。第三節(jié)生物燃料汽車

一、醇類汽車

醇類燃料是指甲醇和乙醇，都屬于含氧燃料。與汽油相比，醇類燃料具有較高的熱輸出效率，能耗折合油耗量較低，由于燃燒充分，有害氣體排放較少，屬于清潔能源。

甲醇俗稱“木醇”或“木精”。用甲醇代替石油燃料在國外已經(jīng)應用多年，20世紀80年代，我國開始了甲醇燃料的開發(fā)。目前，包括我國在內世界上已有70多個國家不同程度地應用甲醇汽車（圖5-21）。第三節(jié)生物燃料汽車圖5-21吉利甲醇汽車

乙醇俗稱酒精，它以玉米、小麥、薯類、糖或植物等為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾而制成。將乙醇進一步脫水再經(jīng)過不同形式的變性處理后成為燃料乙醇。燃料乙醇也就是用糧食或植物生產(chǎn)的可加入汽油中的品質改善劑。它不是一般的酒精，而是它的深加工產(chǎn)品。

燃料乙醇一般不會直接用來當作汽車燃料，而是按一定的比例與汽油混合在一起使用，這有利于增加燃料的辛烷值。按照我國的國家標準，乙醇汽油是用90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調和而成。它可以有效改善油品的性能和質量，降低一氧化碳、碳氫化合物等主要污染物的排放，它不會影響汽車的行駛性能，還能減少有害氣體的排放量。燃料乙醇作為一種新型清潔燃料，是目前世界上可再生能源的發(fā)展重點。

第三節(jié)生物燃料汽車

乙醇汽油是燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形成的新型替代能源。從20世紀90年代末開始，乙醇燃料汽車（圖5-22）成為各國新能源規(guī)劃項目之一，逐步進入人們視野。第三節(jié)生物燃料汽車圖5-22沃爾沃乙醇燃料汽車

二、生物柴油汽車

生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及動物油脂、餐飲垃圾油等為原料油通過酯交換工藝制成的可替代石化柴油的再生性柴油燃料。雪鐵龍C8生物柴油版汽車如圖5-23所示。第三節(jié)生物燃料汽車圖5-23雪鐵龍C8生物柴油版汽車

1983年，美國科學家GrahamQuick首先將菜籽油的甲酯用于發(fā)動機，并將可再生的脂肪酸單酯定義為生物柴油。1984年美國和德國等國的科學家研究了采用脂肪酸甲酯或乙酯代替柴油作為燃料，即采用來自動物或植物的脂肪酸單酯來代替柴油燃燒。

作為一種可替代化石燃料的可再生燃料，生物柴油具有以下多個特點：首先它是以可再生的動物及植物脂肪酸單酯為原料，可以降低對石化燃料的依賴，包括自產(chǎn)和進口；其次，生物柴油非常環(huán)保，使用生物柴油的汽車所排放出來的有害物質僅為傳統(tǒng)柴油汽車的10%，顆粒物為普通柴油的20%；另外，生物柴油可以運用于現(xiàn)在普通的柴油發(fā)動機，可按任意比例與普通柴油摻和使用，在普通的加油站就可以獲得。

美國是研究和推廣生物柴油最早的國家，采用的是20%生物柴油，摻和80%普通柴油的B20柴油，而現(xiàn)在還能提供B99幾乎純生物柴油供應。B20可將汽車的尾氣污染物降低50%，獲得美國能源署及環(huán)保署的清潔燃料殊榮，對生物柴油的稅率為0%。

歐盟是生物柴油推廣和發(fā)展最快的地區(qū)，生物柴油是歐盟最重要的生物燃料，約占生物燃料總產(chǎn)量的80%。歐盟約80%的生物柴油由油菜籽生產(chǎn)，剩余的主要由葵花油和豆油生產(chǎn)。生物柴油市場份額龐大的主要原因是歐盟相當一大部分的汽車由柴油驅動，以及柴油供應短缺。第三節(jié)生物燃料汽車

三、二甲醚汽車

二甲醚又稱為甲醚，簡稱為DME，能從煤、煤氣層、天然氣和生物質等多種資源中提取。以二甲醚為原料的二甲醚汽車（圖5-24）的進一步發(fā)展將有效地解決原油危機和能源安全問題。第三節(jié)生物燃料汽車圖5-24二甲醚城市公交車

一、氫氣汽車

氫氣在常溫常壓下為無色、無味、無毒的氣體。氫是宇宙中最豐富的物質，也是地球上儲量最豐富的資源，自然界的氫絕大部分以化合態(tài)的形式存在，最常見的便是水和有機物。

由于氫氣燃燒時放出熱量是相同條件下汽油的三倍，而且燃燒產(chǎn)物是對環(huán)境無害的水，是一種綠色高能的燃料。由于其具有熱值高、無污染、儲量豐富等優(yōu)勢，因此，氫動力汽車是傳統(tǒng)汽車最理想的替代方案之一。寶馬氫能源汽車如圖5-25所示。

目前，氫氣作為動力汽車主要有兩種方式。一種是以氫作為燃料電池的燃料與氧發(fā)生化學反應，從而產(chǎn)生出電能起動電動機并驅動汽車，但氫氣儲存和攜帶限制了它的發(fā)展，這種汽車要真正投產(chǎn)還需要一定的時間。另一種方式是以氫氣直接作為燃料燃燒產(chǎn)生動力。第四節(jié)其他新能源汽車第四節(jié)其他新能源汽車圖5-25寶馬氫能源汽車

二、太陽能汽車

太陽能汽車（圖5-26）是將太陽能轉化為電能，并利用該電能驅動車輛行駛的汽車。太陽能發(fā)電在汽車上的應用，將能夠有效降低全球環(huán)境污染，創(chuàng)造潔凈的生活環(huán)境，隨著全球經(jīng)濟和科學技術的飛速發(fā)展，太陽能汽車作為一個產(chǎn)業(yè)已經(jīng)不是一個神話。燃燒汽油的汽車是城市中一個重要的污染源頭，汽車排放的廢氣包括二氧化硫和氮氧化物都會導致空氣污染，影響我們的健康。現(xiàn)在各國的科學家正致力開發(fā)產(chǎn)生較少污染的電動汽車，希望可以取代燃燒汽油的汽車。但由于現(xiàn)在各大城市的主要電力都是來自燃燒化石燃料的，使用電動汽車會增加用電的需求，即間接增加發(fā)電廠釋放的污染物。有鑒于此，一些環(huán)